KR19980702555A - 고전력 저잡음의 전압-제어형 발진기 - Google Patents

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챨스 엘. 무어, 주니어
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Abstract

고-전력, 저-잡음의 전압-제어형 발진기(VCO)는 셀룰러 무선 전화기와 같은 전송기에서 구동단 증폭기 및 값비싼 표면-음파(SAW) 단간 필터의 필요성을 없앤다. VCO는 공진 회로, 공진 회로에 접속된 능동부, 및 능동부에 접속되어 자신에 접속된 부하로부터 VCO를 격리하기 위한 버퍼 증폭기를 포함한다. 능동부는 콜피츠(colpitts) 구성으로된 최소한 하나의 트랜지스터, 및 저주파에서 부성 피드백을 제공하기 위한 저항을 포함하며, 여기서, 각각의 상기 커패시턴스는 병렬로 접속된 각각의 접합 커패시턴스의 값보다 큰 값을 가진다. 발진이 개시될 때 능동부의 이득을 감소시키기 위해 제2 저항이 제공될 수도 있다. 버퍼 증폭기는 트랜지스터를 포함하는 선형 증폭기이고, 능동부와 버퍼 증폭기는 상기 능동부와 버퍼 증폭기 사이의 커플링을 감소시키기 위해 커패시턴스에 의해 접속될 수도 있다.

Description

고전력 저잡음의 전압-제어형 발진기
본 발명은 전자 발진기와 전압-제어형 발진기에 관한 것이다.
전압-제어형 발진기(Voltage-Controlled Oscillator, VCO)는 제어 신호에 응답하여 변동가능한 주파수를 갖는 신호를 발생하기 위한 소자이다. VCO는 단독 소자로서 역할을 할 뿐만 아니라, 종종, 위상 고정 루프, 전압-대-주파수 변환기등의 부품이 되기도 한다.
휴대용 무선 전화기나 휴대용 터미널에 사용되는 종래의 전송기는 전형적으로 저전력 반송파 신호를 발생하기 위한 VCO, 구동단(drive-stage) 증폭기, 세라믹 또는 표면-음파 소자(Surface-Acoustic Wave, SAW)일 수 있는 단간(inter-stage) 필터, 및 반송파 전력을 충분한 레벨로 부스트(boost)하기 위한 전력 증폭기를 포함한다. 전형적인 전송기에서, 구동단 증폭기는 VCO의 저전력 출력을 전력 증폭기를 위한 충분한 레벨까지 상승시키는데 필요하고, 단간 필터는 구동단 증폭기에 의해 생성되는 관심 스펙트럼 대역 바깥의 잡음을 제거하는데 필요하다.
구동단 증폭기에 의해 발생된 대역외 잡음 전력은 대개 비교적 높다. 만일 이 잡음 전력이 전력 증폭기를 통과하면, 증폭된 대역외 잡음 전력은 전자 산업 연합(Electronic Industries Association, EIA)의 요건을 만족시키는 상업적으로 이용가능한 필터를 사용하여 제거하기에는 거의 불가능할 것이다. 따라서, 단간 필터는 현재 전형적으로 전송기에 필요하다.
세라믹 또는 SAW 단간 필터들은 값비싼 부품들이며, 현재의 IC 기술로 제조하기에는 적합하지 않다. 현재, 셀룰러 전송기는 세라믹 또는 SAW 단간 필터를 빼놓고 단일의 IC 칩 상에 구현될 수 있다. 따라서, 전송기의 비용을 낮추고, 전체 전송기를 단일의 IC 칩상에 집적하기 위해, 단간 필터를 제거하는 것이 바람직하다.
단간 필터를 제거하는 한 방법은 더 높은 전력 출력을 갖는 VCO를 사용하는 것이다. 사실상, 고전력 VCO의 잡음 전력 출력이 낮다고 가정하면, 고전력 VCO를 사용하게 되면 구동단 증폭기를 제거할 수 있다. VCO의 잡음 전력 출력은 주로 2가지 성분, 즉, 위상 잡음과 진폭 잡음의 결과물이다.
과거에는, 반송파 주파수로부터 먼 잡음은 단간 필터에 의해 걸러지기 때문에, 반송파 주파수로부터 멀리 떨어진 주파수, 예를 들어, 반송파 주파수로부터 45 MHz만큼 떨어진 주파수에서의 VCO의 잡음 영향은 무시하는 것이 흔했다. 반송파로부터 먼 잡음은 VCO의 능동(active) 소자의 높은 비선형 동작으로부터 유발되는 준누화 잡음(intermodulation noise)외에도, AM 잡음과 위상 잡음의 조합이다.
VCO의 가장 중요한 특징들 중 하나는 단기간의 주파수 안정성, 또는 위상 잡음이다. VCO의 위상 잡음을 지배하는 잡음원들 중에는 VCO 능동 소자들의 깜박임 잡음(flicker noise), 산탄 잡음(shot noise), 및 열적 잡음(thermal noise)이 있다. 저주파 잡음, 즉, 1/f 잡음은 VCO에 의해 발생된 신호를 변조하여 스펙트럼적으로 반송파 주파수에 매우 가까운 잡음 측파대(sideband)를 형성한다. 열적 잡음은 AM으로부터 위상 변조로의 변환을 통한 위상 잡음에 기여한다.
낮은 위상 잡음을 달성하기 위해, 열적 잡음 기여를 포함하는 낮은 1/f 잡음 및 낮은 잡음 지수를 갖는 능동 소자가 필요하다. 능동 소자들의 1/f 잡음 및 열족 잡음은 이들을 통해 흐르는 d.c. 바이어스 전류에 의존하므로, VCO는 낮은 잡음을 달성하기 위해 낮은 d.c. 바이어스 전류를 사용해야 한다. 불행하게도, 낮은 d.c. 바이어스 전류를 사용하게 되면, 대부분의 저-잡음 VCO들이 단지 제한된 출력 전력을 가지게 된다.
큰 d.c. 바이어스 전류를 사용하는 것이 고 출력 전력을 갖는 VCO를 얻기 위한 일반적인 방법이다. 그러나, 셀룰러 통신에 있어서, VCO 잡음 성능은 위상 잡음을 감소시키기 위해 값비싼 높은 Q-팩터를 갖는 공진기가 사용되어야 하는 지점까지 떨어진다. 충분한 최소 Q는 대개 VCO의 가격을 불필요하게 증가시키지 않도록 결정된다.
상술한 바와 같이, VCO는 전형적으로 무선 전화에서 반송파 신호를 생성하기 위해 사용된다. 무선 주파수(RF) 반송파 신호의 아날로그 주파수 변조(FM)를 사용하는 셀룰러 이동 전화 시스템에 대한 현재의 한 표준은 900 MHz 부근의 주파수를 갖는 반송파 신호 사이에 30 KHz의 간격을 갖는 광대역 FM을 사용하는 미국의 Advanced Mobile Phone Service(AMPS)이다. 900 MHz 대역에서 반송파 신호를 사용하는 디지털 AMPS(D-AMPS) 시스템도 역시 미국에 도입되었다. AMPS 시스템의 몇 가지 특징들은 전자 산업 연합 및 통신 산업 연합(EIA/TIA)에 의해 발표된 EIA-TIA-553 표준에 명시되어 있다.
또 다른 아날로그 FM 표준은 900 MHz 부근의 주파수를 갖는 반송파 신호 사이의 25 KHz 간격을 사용하는 United Kingdom의 Total Access Communication System이다. 제3의 아날로그-FM 표준은 450 MHz와 900 MHz의 반송파 사이에 12.5 KHz 간격을 갖는 FM을 사용하는 스칸디나비아의 Nordic Mobile Telephone(NMT)이다.
이와 같은 아날로그 FM 시스템의 용량은 N-AMPS 규격에 따른 협대역-FM에서와 같이 채널 밴드폭을 감소시키기 위해 증가될 수 있다. N-AMPS 시스템에서, 10 KHz의 채널 간격은 AMPS 시스템의 각각의 30 KHz폭 무선 채널을 3개 부분으로 분할함으로써 달성된다. 일반적으로, 무선 채널은 2개의 전송기간의 양방향 무선 전송 경로로서, 하나는 상향 회선 (이동국에서 기지국으로) 통신이고, 또 하나는 하향 회선(기지국에서 이동국으로) 통신이다. 표준 시스템에서, 임의의 무선 채널의 2개의 반송파 간의 주파수 간격은 45 MHz이다.
시스템 용량을 증가시키기 위한 노력으로, 미국의 디지털 AMPS(D-AMPS) 시스템은 제어 채널 상에서는 아날로그 전송을 유지하면서 트래픽 채널 상에서는 디지털 통신 및 시분할 다중 액세스(TDMA)를 사용한다. D-AMPS 시스템의 몇 가지 특징은 EIA/TIA에 의해 발표된 IS-54B 표준에 의해 명시되어 있다. 다른 현재의 TDMA통신 시스템은 북아메리카의 디지털 셀룰러 시스템(ADC)와 일본 및 유럽의 이동 통신용 글로벌 시스템이다. RF 반송파 신호와 코드 분할 멀티플렉싱(code division multiplexing) 및 코드 분할 다중 액세스(Code Division Multiple Access, CDMA)를 사용하는 통신 시스템도 역시 가능하다.
발명의 요약
본 발명에 따르면, 낮은-Q 공진기를 사용한 고-출력 전력과 저-잡음을 갖는 VCO를 위한 회로 위상학이 제공된다. 이와 같은 VCO는 공진 회로; 공진 회로에 접속되며 콜피츠(Colpitts) 구성에 접속된 최소한 하나의 트랜지스터를 포함하는 능동부; 및 능동부에 접속되며 자신에 접속된 부하로부터 VCO를 격리하기 위한 버퍼 증폭기를 포함한다.
능동부는 트랜지스터의 접합 커패시턴스(junction capacitance)와 병렬로 접속된 커패시턴스와 저주파에서 부성 피드백(negative feedback)을 제공하기 위한 제1 저항을 포함하며, 각각의 커패시턴스는 병렬로 접속된 각각의 접합 커패시턴스의 값보다 큰 값을 가진다. 커패시턴스들의 최소한 2개는 고주파에서 능동부 내의 피드백을 향상시키며 접합 커패시턴스에서의 변화를 보상한다.
능동부는 각각의 트랜지스터를 통해 흐르는 d.c. 전류값을 감소시키기 위해 콜피츠 구성으로 병렬로 접속된 복수의 트랜지스터를 포함할 수 도 있다. 능동부는 발진이 개시될 때 능동부의 이득을 감소시키기 위해 제2 트랜지스터를 더 포함할 수도 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, VCO는 공진 회로; 공진 회로에 접속되며 콜피츠 구성으로 접속된 최소한 하나의 트랜지스터를 포함하는 능동부; 버퍼 증폭기에 접속된 부하로부터 VCO를 격리시키기 위한 트랜지스터를 포함한 선형 버퍼 증폭기; 및 능동부와 선형 증폭기를 결합하며 능동부와 선형 버퍼 사이의 커플링을 감소시키기 위한 커패시턴스를 포함한다.
능동부는 트랜지스터의 접합과 병렬로 접속된 커패시턴스들, 저주파에서 부성 피드백을 제공하기 위한 제1 저항, 및 발진이 개시될 때 능동부의 이득을 감소시키기 위한 제2 저항을 포함한다. 여기서, 각각의 커패시턴스는 병렬로 접속된 각각의 접합 커패시턴스의 값보다 큰 값을 가진다. 능동부는 각각의 트랜지스터를 통해 흐르는 d.c. 전류값을 감소시키기 위해 콜피츠 구성으로 병렬로 접속된 복수의 트랜지스터를 포함할 수 도 있다.
도1은 본 발명에 따른 전압-제어형 발진기의 전기적 개략도이다.
도2는 도1의 회로의 출력 전력 스펙트럼을 도시한다.
도3은 도1의 회로의 위상 잡음을 도시한다.
도4는 도1의 회로의 AM 잡음 스펙트럼을 도시한다.
도5는 도1의 회로의 잡음 전력 레벨을 도시한다.
휴대용 또는 이동 무선전화기 및/또는 개인용 통신 네트워크를 포함한 셀룰러 통신 시스템에 대한 이후의 설명을 통해, 본 발명은 VCO가 사용되는 다른 분야에도 응용될 수 있다는 사실을 당업자는 이해할 수 있을 것이다.
도1은 VCO의 능동부에 공진 주파수에서의 이득을 제공하기 위해 흔한 낮은-Q 공진기를 갖는 본 발명에 따른 VCO(1)의 전기적 개략도이다. VCO(1)은 공진기(10), 능동부(20), 및 버퍼 증폭단(30)을 포함한다. 능동부(20)은 콜피츠 발진기와 어떤 면에서는 비슷하지만, 회로(20)은 명확한 추가 요소, 즉, 커패시턴스 C3, C4, 및 저항 R2를 가진다. 이들 요소들의 중요성과 이들에 의해 제공받는 이점은 이후에 설명될 것이다.
상술한 바와 같이, VCO 잡음 스펙트럼의 2개의 주요 부분은 위상 잡음 및 AM 잡음이다. VCO출력 신호의 주파수에 근접한 주파수에서는 위상 잡음이 지배적인 반면, 출력 신호의 주파수로부터 상당히 먼 주파수에서는 AM 잡음이 지배적이다. 출력 신호의 주파수에서 그렇게 멀지 않은 주파수에서, VCO 잡음 스펙트럼은 위상 잡음과 AM 잡음의 조합이며, 이들 중 어떤 것이 더 높느냐하는 것은 VCO 능동 및 수동 요소들의 잡음 특성, 능동 소자들의 동작이 얼마나 비선형적인가, 및 회로 형태에 따라 다르다.
잘 알려진 바와 같이, 위상 잡음은 능동부의 트랜지스터 Q1의 비선형 트랜스컨덕턴스(transconductance) gm, 및 비선형 접합 커패시턴스 Cbe, Cbc, Cce로부터 유발되는 출력 신호의 저주파 변조로부터 유발된다. 만일, 이들 비선형 소자들 상의 비선형 변조가 감소된다면, 위상 잡음이 따라서 감소될 것이다. 본 발명의 한 특징에 따르면, 능동부(20)은 각각의 비선형 접합 커패시턴스와 병렬로 접속된 커패시턴스 C3, C4를 포함한다. 따라서, 전통적인 커패시턴스 C1뿐만 아니라 선형 커패시턴스 C3, C4가 선형 변조를 감소시킨다. 최적의 결과를 달성하기 위해, 이들 커패시턴스들은 C3Cb2, C4, 및 C1Cbe와 같이 되도록 선택되어야 한다.
또한, 커패시턴스 C3, C4는 고주파에서 피드백을 향상시키며, 저주파에서 피드백을 억제한다. 이는 특히 발진의 시작시에 이후에 설명되는 이유로 인해 이롭다. 본 출원에서, 하이 주파수는 반송파 신호, 즉 VCO에 의해 발생되는 출력 신호의 주파수와 최소한 거의 같은 주파수이다. 로우 주파수는 쌍극성 접합 트랜지스터에 대해서는 d.c.(0 Hz) 내지 100 KHz 사이의 주파수이고, 전계 효과 트랜지스터(FET)에 대해서는 d.c 내지 100 MHz 사이의 주파수이다.
커패시턴스 C3, C4를 사용하는 또 다른 이점은, C3, C4가 온도 변화뿐만 아니라 공급 전압의 변동에 따른 소자의 커패시턴스 변화의 영향을 감소시키기 때문에, VCO(1)의 푸싱 효과(pushing effect)와 온도 안정성을 개선시킨다는 것이다.
만일, 필요하다면, 위상 잡음을 적절하게 감소시키기 위해, 종래의 공진기(10)의 Q-팩터를 선택함으로써 VCO 성능이 더 개선될 수도 있다. 공진기(10)은 전형적으로 원하는 잡음 성능을 만족시키기에 충분하도록 선택되는 Q-팩터를 가질 것이다. 단지 약 100의 Q-팩터를 갖는 공진기(10)이 이후에 기술되는 바와 같은 셀룰러 전화기에 대해 적합하다고 여겨지고 있다. 공진기(10)은 마이크로스트립 라인(11), 및 Toko, Toshiba, Alpha사의 저가형 버랙터(varactor, 12)로부터 만들어질 수 있다. 마이크로스트립 라인은 Trans-Tech사의 동축 인덕터와 같은 동축 인덕터로 대체될 수도 있다. 버랙터(12)의 양단에 인가되는 바이어스 전압은, 소자(12)의 파라미터 변경과 마찬가지로, 예를 들어, 제어 신호 단자(13)을 통해, VCO에 의해 발생된 신호의 주파수를 제어하도록 사용될 수 있다. 공진기와 능동부(20) 사이의 커플링은 공진기의 Q-팩터를 증가시키도록 감소되어야 할 것이다.
본 출원은 저-잡음 VCO(1)에서, 능동부(20)은 커패시터 C2가 고주파, 즉, 반송파 주파수에서 이득을 유지하면서, 저주파에서 이득과 잡음을 억제하기 위해 저주파에서 부성 피드백을 도입하기 위한 저항 R1을 포함한다. 그 결과, 트랜지스터 Q1으로서 사용되는 대부분의 트랜지스터들이 저주파에서 매우 높은 이득을 가져 대개 증가된 저주파 잡음과 감소된 저주파 안정성을 유발하기 때문에, VCO의 위상 잡음은 감소되고 저주파에서의 안정성은 증가한다.
상술한 바와 같이, 저잡음 VCO는 대개 낮은 d.c. 바이어스 전류를 요구하므로, VCO 출력 전력도 또한 낮으며, 높은 출력 전력을 위한 높은 전류에서의 동작은 높은 위상 잡음과 AM 잡음을 초래한다. 높은 전력 레벨을 달성하고 가능한한 d.c. 바이어스 전류를 낮게 유지하기 위해, 트랜지스터 Q1은 2개 이상의 트랜지스터로 구현되어야 할 것이다. 이러한 방식으로, 각각의 트랜지스터를 통해 흐르는 d.c. 전류는 감소되어(만일, 한 쌍의 트랜지스터가 사용된다면 반으로 감소한다), 전체 잡음 레벨은 동일한 출력 전력 레벨에서 동작하는 단일의 트랜지스터 Q1의 잡음 레벨보다 낮다.
병렬로 접속되어야 할 트랜지스터의 개수는 IC 처리에서의 기술, 필요한 출력 전력 레벨, 및 최적의 잡음 지수와 최적의 저주파 잡음을 위한 단일 트랜지스터의 최적 바이어스 점에 따라 다르다. 예를 들어, 실리콘 BJT 및 갈륨 아세나이드 HBT와 같은 BJT는 MOSFET와 HEMT와 같은 FET보다 낮은 1/f 잡음을 가진다. 셀룰러 무선 전화 송신기와 같은 응용은 2개의 BJT 또는 FET를 사용할 것이다.
일반적으로, 낮은 이득에서 출발한 VCO의 발진은 높은 이득에서 출발한 VCO의 발진보다 낮은 잡음을 가질 것이다. 따라서, 본 발명의 한 특징에 다르면, 커패시턴스 C3, C4, C2, 및 C1과 같은 다른 소자들과 연계한 저항 R2는 발진이 시작하는 시점의 이득을 감소시킬 것이다.
본 출원의 VCO(1)은, 버퍼의 출력 단자(31)에 접속된 다음단에 의한 로딩(loading)으로부터 VCO를 격리하여 부하 임피던스의 변동에 기인한 어떠한 출력 신호 주파수 풀링(pulling)을 피하기 위해, 버퍼 증폭단(30)도 역시 포함한다. 낮은 잡음을 위한 관점에서 보면, 버퍼 증폭기(30)은 버퍼단에서 발생하는 상호변조(intermodulation)로부터의 잡음이 첨가되는 것을 피하기 위해 가능한한 선형으로 동작해야 한다. 버퍼 증폭기(30)의 선형 동작은 버퍼 트랜지스터(Q2)의 동작점에 의해 결정되고, 동작점은 트랜지스터의 d.c. 바이어스와 부하 임피던스에 의해 결정된다는 사실을 이해할 수 있을 것이다.
능동부(20)과 버퍼단(30)은 능동부와 버퍼단 사이의 커플링이 감소되고 부하-유도된 주파수 풀링이 감소되도록 하는 커패시턴스 값을 갖는 작은 커패시턴스 C6에 의해 접속된다.
본 발명의 고전력, 저잡음 VCO(1)은 RF Micro Devices사의 HBT 비선형 디바이스 모델과 연계하여 상업적으로 이용가능한 마이크로파/RF 회로 시뮬레이터인 HP-EEdof's J-Omega 시뮬레이터로 시뮬레이트되었다. 시뮬레이션에서의 공진기 회로는 대략 100의 부하 걸린(50오옴 부하) Q-팩터를 가졌다.
도2-5에 도시된 바와 같이, 시뮬레이션은 반송파로부터 45 MHz 떨어진 수신 대역에서의 전체 잡음 전력 레벨뿐만 아니라 반송파 근처의 출력 전력 레벨 및 위상 잡음에 관한 기대를 만족시켰다. 이들 기대치는 동일한 공진 회로를 갖는 종래의 회로 형성으로는 달설될 수 없다. 잡음 성능에서 10dB이상의 개선이 제공된 시뮬레이트된 회로가 종래의 VCO 회로와 비교되었다. 앞서 지적한 바와 같이, 종래의 VCO의 잡음 성능은 대개 근접(close-in) 위상 잡음, 즉, 시스템 밴드폭에 따라 다르지만 반송파로부터 25-30 KHz 떨어진 주파수에서의 위상 잡음에 대해서만 명시된다. 본 발명의 고전력, 저잡음 VCO는 값비싼 단간 필터의 사용할 필요를 없애고, 본 발명에 따른 VCO의 잡음 성능은 더 나아가 수신 대역에서의 잡음 전력 규격을 만족시킨다.
예를 들어, 셀룰러 무선 전화 전송기에 대한 전형적인 요건에는 30 dBm의 출력 전력, 15 dBm의 전력 이득, 5 dB 잡음 지수, 및 반송파 주파수보다 45 MHz 위의 주파수에서의 -139.8 dBm/Hz보다 작은 잡음 전력이 있다. 따라서, VCO에 의해 생성되는 잡음 전력은 반송파 주파수보다 45 MHz 위의 주파수에서 -(15 + 5 + 139.8) = -159.8 dBm/Hz보다 작아야 한다. 이것은 종래의 VCO 뿐만 아니라 출력 전력과 근접 잡음 규격을 만족시키는 VCO로도 만족시키기가 매우 어려운 성능 규격이다.
물론, 저항저항 R1, R2; 커패시턴스 C1-C6; 및 트랜지스터 바이어스 전류의 특정 값은 본 발명의 사용되는 특정 분야에 의해 결정된다. 일반적으로, 저항 R1은 약 30 ohm에서 약 200 ohm 사이의 값을 가질 수 있으며; 저항 R2는 약 2 ohm에서 약 10 ohm의 값을 가질 수 있고; 트랜지스터 Q1을 통한 d.c. 전류는 약 10 밀리암페어와 약 20 밀리암페어 사이의 값을 가질 수 있으며; 트랜지스터 Q2를 통해 흐르는 d.c. 전류는 약 20 밀리암페어에서 약 40 밀리암페어 사이의 값을 가질 수 있다. 어떤 값이 최적인가하는 것은 반송파 주파수로부터 먼 특정 주파수에서의 잡음 전력뿐만 아니라 출력 전력과 위상 잡음에 대한 요건에 따라 다르기 때문에, 이들 범위는 본 발명을 제한하는 것으로 여겨져서는 안된다.
도2는 시뮬레이션의 출력 전력 스펙트럼을 도시한다. 출력 전력 레벨은 약 843 MHz인 반송파의 기본 주파수(fundamental frequency)에서 +15.3 dBm이었고, 반송파의 제1 고조파(1686 MHz)에서 약 +0.9 dBm이었다.
도3은 시뮬레이션의 위상 잡음 전력 스펙트럼을 도시하며, 여기서, 위상 잡음 전력 레벨은 반송파 신호의 주파수로부터의 주파수 옵셋(offset)의 로그 함수(logarithm function)로서 도시되어 있다. 반송파로부터 32 KHz 떨어진 주파수에서, 위상 잡음 전력은 -122.7 dBc/Hz보다 작았고, 이는 최대 허용가능한 위상 잡음 레벨인 -95 dBc/Hz보다 상당히 나은 값이다. 반송파로부터 16 KHz 주파수 옵셋에서, 위상 잡음 전력은 -116.3 dBc/Hz이었다. 또한, 도3은 GSM-표준 셀룰러 전화 시스템에서의 최대 허용가능한 위상 잡음 레벨인 -163 dBc/Hz보다 상당히 나았다.
도4는 시뮬레이트된 VCO의 AM 잡음 스펙트럼을 도시한다. 여기서, AM 잡음 전력 레벨은 반송파 신호 주파수로부터의 주파수 옵셋의 로그 함수로서 도시되어 있다. 도3과 도4를 비교해보면, 위상 잡음과 AM 잡음의 상대적 잡음 기여도를 알 수 있다. 도4는 반송파로부터의 32 KHz 주파수 옵셋에서 AM 잡음 전력이 -147.9 dBc/Hz이었고, 반송파로부터의 44 MHz 주파수 옵셋에서는 -174.1 dBc/Hz이었다.
대부분의 무선 전화 시스템에서, 만족시키기에 가장 어려운 성능 표준은 수신 대역 내의 잡음 전력 레벨, 즉, 반송파로부터의 45 MHz 떨어진 주파수에서의 잡음 전력 레벨이다. 도5는 시뮬레이트된 VCO의 결합된 위상-및-AM 잡음 스펙트럼을 도시한다. 여기서, 결합된 잡음 전력 레벨은 반송파 신호 주파수로부터의 주파수 옵셋의 로그 함수로 도시되어 있다. 도5는 이 잡음 전력 레벨이 반송파로부터 44 MHz 옵셋에서는 -163.1 dBm/Hz이었음을 도시하는데, 이는 AMPS 규격에 의해 허용된 최대 레벨 -160 dBm/Hz보다 작다. 종래의 VCO 회로를 시뮬레이트하여 얻어지는 가장 훌륭한 수신 대역 잡음 전력 레벨은 -150 dBm/Hz이었다.
본 발명은 전송기 회로에서 구동단 증폭기와 값비싼 고품질의 세라믹 필터 또는 SAW 필터를 대체할 수 있는 새로운 회로 형상을 제공한다. 부피가 큰 필터가 없으며 단순하기 때문에, 본 발명에 따른 VCO는 단일의 IC 칩 상의 전력 증폭기로 제조하기가 쉽다. 단일 칩 상의 전력 증폭기로 VCO를 제조하는 것은 제조 비용을 상당히 감소시킨다.
비록 본 발명의 특정 예가 도시되고 기술되었지만, 본 발명은 이에만 국한되는 것은 아님을 이해해야 할 것이다. 예를 들어, 본 발명은 임의의 트랜지스터 유형, 또는 3단자형, 발진기에도 적용될 수 있으며, 이 모든 것은 본 발명에서 사용된 용어 VCO에 포함되는 것으로 간주되어야 한다. 청구 범위에 의해 한정되는 본 발명의 진정한 정신과 범위에 속하는 모든 변형도 본 발명에 속하는 것으로 간주되어야 한다.

Claims (9)

  1. 고전력, 저잡음의 전압-제어형 발진기에 있어서,
    공진 회로(resonant circuit);
    상기 공진 회로에 접속되며, 콜피츠(Colpitts) 구성으로 접속된 최소한 하나의 트랜지스터를 포함하는 능동부(active part); 및
    상기 능동부에 접속되며, 자신에게 접속된 부하로부터 상기 VCO를 격리하기 위한 버퍼 증폭기(buffer amplifier)
    를 포함하며,
    상기 능동부는 트랜지스터의 접합 커패시턴스(junction capacitance)와 병렬로 접속되어 저주파에서 피드백을 억제하는 커패시턴스들, 및 VCO의 발진 주파수로부터 먼 저주파에서 이득과 잡음을 억제하기 위해 부성 피드백(negative feedback)을 제공하기 위한 제1 저항을 포함하며, 상기 각각의 커패시턴스는 병렬로 접속된 각각의 접합 커패시턴스의 값보다 큰 값을 가지는 것을 특징으로 하는 고전력, 저잡음의 전압-제어형 발진기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 커패시턴스들 중 최소한 2개는 고주파에서 상기 능동부 내의 피드백을 향상시키며, 저주파에서 상기 능동부 내의 피드백을 억제시키는 것을 특징으로 하는 고전력, 저잡음의 전압-제어형 발진기.
  3. 제1항에 있어서, 상기 커패시턴스들 중 최소한 2개는 접합 커패시턴스에서의 변화를 보상하는 것을 특징으로 하는 고전력, 저잡음의 전압-제어형 발진기.
  4. 제1항에 있어서, 상기 능동부는 각각의 복수의 트랜지스터들을 통해 흐르는 d.c. 전류값을 감소시키기 위해 콜피츠 구성으로 병렬로 접속된 복수의 트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 하는 고전력, 저잡음의 전압-제어형 발진기.
  5. 제1항에 있어서, 상기 능동부는 발진이 개시될 때 능동부의 이득을 감소시키기 위해 제2 저항을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고전력, 저잡음의 전압-제어형 발진기.
  6. 제1항에 있어서, 상기 버퍼 증폭기는 트랜지스터를 포함한 선형 증폭기인 것을 특징으로 하는 고전력, 저잡음의 전압-제어형 발진기.
  7. 제1항에 있어서, 상기 능동부와 버퍼 증폭기는 상기 능동부와 버퍼 증폭기 사이의 커플링을 감소시키기 위해 커패시턴스에 의해 접속되는 것을 특징으로 하는 고전력, 저잡음의 전압-제어형 발진기.
  8. 전압-제어형 발진기(VCO)에 있어서,
    공진 회로;
    상기 공진 회로에 접속되며, 콜피츠 구성으로 접속된 최소한 하나의 트랜지스터를 포함하는 능동부;
    자신에게 접속된 부하로부터 VCO를 격리시키기 위한 트랜지스터를 포함한 선형 버퍼 증폭기로; 및
    상기 능동부와 상기 선형 버퍼 증폭기를 접속시키며 상기 능동부와 상기 버퍼 증폭기 사이의 커플링을 감소시키기 위한 커패시턴스
    를 포함하며,
    상기 능동부는 최소한 하나의 트랜지스터의 접합 커패시턴스와 병렬로 접속되어 저주파에서 피드백을 억제하는 커패시턴스; 저주파에서 이득과 잡음을 억제하기 위해 부성 피드백을 제공하기 위한 제1 저항; 및 발진이 개시될 때 능동부의 이득을 감소시키기 위한 제2 저항을 포함하며, 여기서, 각각의 상기 커패시턴스는 병렬로 접속된 각각의 접합 커패시턴스의 값보다 크며, 상기 저주파는 상기 VCO의 발진 주파수로부터 멀리 떨어져 있는 것을 특징으로 하는 전압-제어형 발진기.
  9. 제8항에 있어서, 상기 능동부는 각각의 트랜지스터를 통해 흐르는 d.c. 전류의 값을 감소시키기 위해 콜피츠 구성으로 병렬로 접속된 복수의 트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 하는 전압-제어형 발진기.
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